Descobriu-se que a criação de ondulações em material 2D, dissulfeto de molibdênio, aumenta a mobilidade do portador em duas ordens à temperatura ambiente, permitindo que os elétrons se movam mais rapidamente pelo material. Crédito:Instituto de Pesquisa e Engenharia de Materiais da A*STAR
Os semicondutores bidimensionais (2D) têm uma propriedade única que permite que sua espessura seja reduzida a um ou poucos átomos - e essa propriedade poderia minimizar os efeitos de canal curto que continuam sendo um problema em transistores avançados baseados em silício, por exemplo, ligando um transistor prematuramente.
Apesar do potencial que os semicondutores 2D possuem na substituição de materiais semicondutores convencionais como o silício no futuro, um desafio chave permanece:sua baixa mobilidade de portadores à temperatura ambiente, causada pela forte dispersão entre elétrons e fônons.
As condições da estrada e do trânsito determinam a quantidade de tempo e energia que uma pessoa gasta viajando de um local para outro. De maneira semelhante, a mobilidade do portador mede a rapidez com que um portador, como um elétron ou um buraco, pode se mover através de um material quando há um campo elétrico. Essa característica também determina se um material semicondutor é adequado para dispositivos eletrônicos.
A alta mobilidade da portadora pode reduzir efetivamente a dissipação de energia em circuitos integrados e diminuir o consumo geral de energia, prolongando assim a vida útil dos dispositivos ou sistemas elétricos, além de reduzir os custos de operação desses dispositivos ou sistemas.
Pesquisadores do Instituto de Pesquisa e Engenharia de Materiais (IMRE) da Agência para Ciência, Tecnologia e Pesquisa (A*STAR), Universidade Fudan, Universidade Nacional de Cingapura e Universidade Politécnica de Hong Kong descobriram recentemente que colocar materiais 2D em substratos com morfologias abauladas pode aumentar a mobilidade do transportador à temperatura ambiente em duas ordens. Essas protuberâncias criam ondulações no material, distorcendo assim sua estrutura de rede - movendo um ou mais átomos de sua posição original em uma estrutura ideal.
Essa abordagem contrasta com as estratégias convencionais que dependem de estruturas de rede perfeitas para melhorar a mobilidade da portadora, já que qualquer forma de impureza ou distorção da rede é considerada como afetando negativamente a mobilidade.
Em um estudo publicado na
Nature Electronics em junho de 2022, os pesquisadores observaram que o dissulfeto de molibdênio ondulado 2D (MoS
2 ) com distorções de rede criam uma polarização elétrica maior que pode renormalizar a frequência dos fônons. Essa frequência de fônons renormalizada reduz efetivamente a força de dispersão entre elétrons e fônons, aumentando assim a mobilidade da portadora em MoS
2 . Isso significa que os elétrons agora podem se mover mais rapidamente pelo material.
Os resultados do estudo mostram que a mobilidade do transportador à temperatura ambiente é aprimorada em duas ordens em MoS ondulado
2 , atingindo aproximadamente 900 cm
2
V
-1
s
-1
. O resultado observado excede a mobilidade de portadora limitada por fônons prevista de MoS plano
2 de 200–410 cm
2
V
-1
s
-1
.
Através do estudo, criando protuberâncias na estrutura de treliça de MoS
2 foi encontrado para superar o limite de mobilidade do portador intrínseco do material. Isso abre o caminho para o MoS
2 e outros materiais 2D para serem usados na criação de transistores de efeito de campo e dispositivos termoelétricos com desempenho competitivo em temperatura ambiente.
"Nossa abordagem é simples e econômica, demonstrando a engenharia de treliça como uma estratégia eficaz para criar dispositivos termoelétricos e eletrônicos de temperatura ambiente de alto desempenho para futuros eletrônicos", disse o Dr. Wu Jing, Cientista do IMRE da A*STAR.
"Revelamos ainda o mecanismo subjacente de que a mobilidade do portador melhorada é devido à dispersão elétron-fônon suprimida e ao aumento da constante dielétrica intrínseca induzida pelas estruturas onduladas no semicondutor 2D. Ambos desempenham efeitos sinérgicos para aumentar a mobilidade intrínseca do portador " disse o Dr. Yang Ming, Professor Assistente do Departamento de Física Aplicada da Universidade Politécnica de Hong Kong.
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